C'è un universo nascosto in ogni pala di turbina

La bellezza dell'universo risiede nel suo mistero e nella sua profondità. La sola Via Lattea contiene innumerevoli galassie, stelle e polvere, ben oltre la portata dell'osservazione umana. Sapevi che le pale delle turbine dei motori degli aerei contengono anche un "universo" di materiali? In questo "universo", atomi e molecole sono abilmente combinati per aiutare il motore a soddisfare vari requisiti di prestazioni.

Lame a turbina

Le pale della turbina sono una delle parti più critiche di un motore aeronautico. Sono posizionate nella parte del motore con la temperatura più elevata, lo stress più complesso e l'ambiente più ostile. Sono numerose, complesse nella forma, hanno elevati requisiti dimensionali e sono difficili da lavorare, il che influisce direttamente sulle prestazioni del motore aeronautico.

I motori aeronautici avanzati possono funzionare a temperature superiori a 1700°C

Dopo la pressurizzazione, la pressione è elevata fino a più di 50 atmosfere

Per soddisfare i requisiti di prestazioni, affidabilità e durata del motore, i materiali delle pale della turbina devono avere un'eccellente resistenza alle alte temperature, una buona resistenza all'ossidazione, alla corrosione termica, nonché una buona tenacità alla fatica e alla frattura e altre proprietà complete.

Ricerca e sviluppo dei materiali

Processo di sviluppo del materiale della lama

Negli anni '1930, i ricercatori hanno sviluppato leghe ad alta temperatura con eccellenti prestazioni ad alta temperatura per sostituire l'acciaio inossidabile, consentendo l'utilizzo della lama a temperature fino a 800°C. Poco dopo, l'avvento della tecnologia di fusione sotto vuoto favorì lo sviluppo di leghe fuse ad alta temperatura e le leghe policristalline iniziarono gradualmente a diventare il materiale principale per le pale delle turbine.

Negli anni '1980, i ricercatori hanno scoperto la tecnologia di solidificazione direzionale, che può migliorare la resistenza e la plasticità delle leghe e migliorare le prestazioni di fatica termica delle leghe controllando il tasso di crescita dei cristalli e facendo crescere i grani in modo preferenziale. Su questa base, le leghe monocristalline ad alta temperatura hanno iniziato a svilupparsi e sono diventate il materiale dominante per le pale delle turbine dei motori aeronautici ad alte prestazioni.

Processo produttivo

Non basta avere materiali con prestazioni eccellenti. Anche le pale delle turbine dei motori degli aerei richiedono una tecnologia di produzione precisa: processo di microfusione.

Preparazione dell'anima, della cera e del guscio

Nella fusione a cera persa di lame cave, i nuclei in ceramica sono spesso utilizzati per realizzare le vie aeree: il nucleo in ceramica è posto in una lama di cera d'api, avvolto con argilla di porcellana e riscaldato, e la cera all'interno viene scaricata dopo la cottura per formare una cavità di fusione; lo stampo in cera è rivestito con rivestimento refrattario e sinterizzato ad alta temperatura, e un guscio di stampo duro è formato dopo che lo stampo in cera è fuso. Il metallo fuso viene versato nella cavità interna del guscio dello stampo per ottenere una fusione.

Solidificazione direzionale

Sotto stretto controllo della temperatura, più grani competono per crescere, consentendo al grano dominante di entrare nella cavità. Man mano che l'interfaccia solido-liquido avanza, il grano continua a crescere, ottenendo così una lama a cristallo singolo.

Tè

Dopo che le pale della turbina sono state realizzate, viene utilizzato uno speciale processo chimico per sciogliere il nucleo ceramico, quindi vengono praticati dei fori di raffreddamento e viene applicato un rivestimento di barriera termica per fornire isolamento e raffreddamento. Dopo l'ispezione a raggi X, le pale sono completate.

Struttura di raffreddamento

Per i motori, aumentare la temperatura del gas all'ingresso della turbina può aumentare la spinta, migliorando così l'efficienza del motore e il rapporto spinta-peso. Negli attuali motori aeronautici, la temperatura del gas all'ingresso della turbina supera la temperatura limite che il materiale della pala resistente alle alte temperature può sopportare, quindi è necessario utilizzare un metodo di raffreddamento efficace per ridurre la temperatura della parete della pala della turbina.

Le tecnologie di raffreddamento utilizzate nelle pale delle turbine comprendono principalmente il raffreddamento per convezione, il raffreddamento a impatto, il raffreddamento a pellicola e il raffreddamento laminato.

Ffuturo

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, la tecnologia di produzione additiva, la formatura laser e altre tecnologie saranno utilizzate nella fabbricazione di pale di turbina. Le pale di turbina del futuro avranno prestazioni migliori e forniranno una potenza migliore agli aerei per librarsi nel cielo.

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